Βόριο: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Περιεχόμενο που διαγράφηκε Περιεχόμενο που προστέθηκε
Akeramop (συζήτηση | συνεισφορές)
Χωρίς σύνοψη επεξεργασίας
Akeramop (συζήτηση | συνεισφορές)
Γραμμή 88: Γραμμή 88:
===Κρυσταλλική δομή===
===Κρυσταλλική δομή===


[[Εικόνα:Chem_star.png|100px|thumb|right| κρυσταλλική δομή του εικοσάεδρου είναι η πιο συνηθισμένη για το άτομο του βορίου]]
[[Εικόνα:Chem_star.png|120px|thumb|right| κρυσταλλική δομή του εικοσάεδρου είναι η πιο συνηθισμένη για το άτομο του βορίου]]
Η κρυσταλλική δομή του βορίου είναι από τις πιο περίπλοκες ανάμεσα στα χημικά στοιχεία. Αυτό οφείλεται στην ποικιλία των τρόπων με τους οποίους το άτομο προσπαθεί να λύσει το πρόβλημα του ηλεκτρονιακού ελλείμματος. Συνήθως, τα στοιχεία σε αυτή την κατάσταση ακολουθούν την δομή των [[μεταλλικός δεσμός|μεταλλικών δεσμών]] κάτι όμως που δεν συμβαίνει με το βόριο το οποίο προτιμάει τους [[ομοιοπολικός δεσμός|ομοιοπολικούς δεσμούς]], λόγω του μικρού του μεγέθους και της υψηλής ενέργειας ιονισμού.
Η κρυσταλλική δομή του βορίου είναι από τις πιο περίπλοκες ανάμεσα στα χημικά στοιχεία. Αυτό οφείλεται στην ποικιλία των τρόπων με τους οποίους το άτομο προσπαθεί να λύσει το πρόβλημα του ηλεκτρονιακού ελλείμματος. Συνήθως, τα στοιχεία σε αυτή την κατάσταση ακολουθούν την δομή των [[μεταλλικός δεσμός|μεταλλικών δεσμών]] κάτι όμως που δεν συμβαίνει με το βόριο το οποίο προτιμάει τους [[ομοιοπολικός δεσμός|ομοιοπολικούς δεσμούς]], λόγω του μικρού του μεγέθους και της υψηλής ενέργειας ιονισμού.



Έκδοση από την 17:52, 12 Ιανουαρίου 2008

Βόριο
Γενικά
Όνομα Βόριο
Σύμβολο Β
Ατομικός αριθμός 5
Χημικός ομάδα Αμέταλλα (Μεταλλοειδή)
Ομάδα
Περίοδος
Τομέας
13
2
p
Ατομικό βάρος 10,811(7) g/mol
Εμφάνιση Σκούρο καφέ (κρυσταλλικό)
ή μαύρο (άμορφο) στερεό
Ηλεκτρονική διαμόρφωση 1s22s22p1
Ηλεκτρόνια ανά
ενεργ. στάθμη
2, 3
Ιδιότητες
Σημείο τήξης 2076°C (2349 K)
Σημείο βρασμού 3927°C (4200 K)
Πυκνότητα 2340 kg/m3 (20°C, 1 bar)
(κρυσταλλικό)
2370 kg/m3 (άμορφο)
Θερμότητα εξατμίσεως 489,7 kJ/mol
Ηλεκτρική αγωγιμότητα 1,5 10-6 Ω-1 cm-1 (20°C)
Θερμική αγωγιμότητα 27,4 W/(m*K)(27°C)
Ηλεκτραρνητικότητα 2,04 (Pauling)
Ενέργεια ιονισμού 1η: 800,6 kJ/mol
2η: 2427,1 kJ/mol
3η: 3659,7 kJ/mol
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση
εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το χημικό στοιχείο βόριο είναι το πρώτο μέλος και το μοναδικό αμέταλλο της 13ης ομάδας του περιοδικού πίνακα των στοιχείων. Έχει σύμβολο το Β και ατομικό αριθμό 5. Είναι στερεό, είτε κρυσταλλικό είτε άμορφο, με χημικές ιδιότητες που το κατατάσσουν στην ιδιαίτερη ομάδα των μεταλλοειδών, δηλαδή χημικών στοιχείων που άλλοτε συμπεριφέρονται ως μέταλλα και άλλοτε ως αμέταλλα.

Στη φύση δεν ανευρίσκεται ποτέ ελεύθερο παρά σε ενώσεις με άλλα χημικά στοιχεία κυρίως με τη μορφή του ορυκτού βόρακα (τετραβορικό νάτριο).

Το όνομα του βορίου (boron) υποδεικνύει την κυριότερη πηγή του (βόρακας) και την συγγένειά του με τον άνθρακα: bor(ax + carb)on.

Το στοιχείο βόριο χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στη βιομηχανία των ημιαγωγών, ενώ οι ενώσεις του βορίου χρησιμοποιούνται κυρίως στην υαλουργία για την παρασκευή ειδικών τύπων γυαλιού (pyrex, υαλοβάμβακας), στη παρασκευή απορρυπαντικών και εντομοκτόνων αλλά και στην παρασκευή ελαφρών δομικών υλικών με εφαρμογή στην αεροναυπηγική.

Ιστορία

Το στοιχείο βόριο, με τη μορφή των ενώσεών και κυρίως του βόρακα, ήταν γνωστό από τα αρχαία χρόνια όπου χρησιμοποιούνταν για τη κατασκευή γυάλινων αντικειμένων.

Σποραδικές έρευνες κατά το 18ο αιώνα οδήγησαν τελικά στην απομόνωση ακάθαρτου βορίου (~50%) στα 1808 από τον Sir Humphry Davy, Joseph-Louis Gay-Lussac και Louis Jaques Thénard, με αναγωγή βορικού οξέος με νάτριο ή μαγνήσιο. Στη συνέχεια, στα 1892, ο H. Moissan κατάφερε να παραλάβει δείγματα του στοιχείου με καθαρότητα 95-98% με αναγωγή οξειδίου του βορίου με μαγνήσιο. Τέλος, στα 1909, ο Αμερικανός χημικός W. Weintraub ήταν ο πρώτος που παρέλαβε βόριο υψηλής καθαρότητας (>99%).

Ιδιότητες

Το βόριο απαντάται στη φύση σε δύο σταθερά ισότοπα, το 10Β και 11Β, σε αναλογία περίπου 20% και 80% αντίστοιχα. Αυτά τα ισότοπα και η ποικιλία στην αναλογία τους σε σχέση με το κοίτασμα από το οποίο προέρχονται, εμποδίζει τον προσδιορισμό του ατομικού του βάρους με μεγαλύτερη ακρίβεια (10Β=10,012939 και 11Β=11,009305). Παρόμοια προβλήματα στον προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων του προκαλούν και οι πολλές και διαφορετικές φυσικές μορφές με τις οποίες εμφανίζεται αλλά και το γεγονός ότι συνήθως περιέχει προσμίξεις ιδιαίτερα δύσκολο να απομακρυνθούν.

Το βόριο σε καθαρή μορφή είναι σκούρο καφέ ή μαύρο στερεό, συνήθως άμορφο (σκόνη) αλλά και κρυσταλλικό. Είναι εξαιρετικά σκληρό και πυρίμαχο στερεό με υψηλό σημείο τήξεως και σχετικά χαμηλή πυκνότητα. Είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού υπό κανονικές συνθήκες αλλά μετατρέπεται σε καλό αγωγό σε υψηλές θερμοκρασίες.

Όσον αφορά τις χημικές ιδιότητές του, αυτές καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το μικρό του μέγεθος και την υψηλή ενέργεια ιονισμού. Το βόριο, όπως και οι γείτονές του στον περιοδικό πίνακα άνθρακας και πυρίτιο, παρουσιάζει μια σημαντική προτίμηση στη δημιουργία κυρίως ομοιοπολικών δεσμών. Σε αντίθεση όμως με αυτούς, παρουσιάζει “ηλεκτρονιακό έλλειμμα” δηλαδή διαθέτει ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο σθένους (3), τα οποία συνεισφέρουν στη δημιουργία των ομοιοπολικών δεσμών, από ότι τροχιακά σθένους (s, px, py, pz). Αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος είναι να λειτουργεί ως δέκτης ηλεκτρονίων (ηλεκτρονιόφιλο) και οι διάφορες ενώσεις του να συμπεριφέρονται ως οξέα κατά Lewis. Επίσης η πολύ μικρή ηλεκτραρνητικότητα του (έχει τι μικρότερη τιμή στα αμέταλλα - 2,04) έχει αποτέλεσμα να οξειδώνεται πολύ εύκολα. Η τιμή αυτή είναι μικρότερη τόσο από την τιμή του υδρογόνου (2,1) όσο και από του άνθρακα (2,5) με αποτέλεσμα ο δεσμός Β-Η να έχει αντίθετη πολικότητα από αυτή του C-H, γεγονός αρκετά σημαντικό στις αντιδράσεις υδροβοριόσεως.

Ενώσεις βορίου

Η χημική δραστικότητα του βορίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την καθαρότητα, την κρυσταλλικότητα αλλά και από την θερμοκρασία. Έτσι, σε θερμοκρασία δωματίου αντιδρά με το φθόριο και προσβάλλεται επιφανειακά από το οξυγόνο αλλά κατά τα άλλα είναι αδρανές. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες αντιδρά γρήγορα με όλα τα αμέταλλα στοιχεία εκτός από το H, Ge, Te και τα ευγενή αέρια. Επίσης αντιδρά ταχύτατα σχεδόν με όλα τα μέταλλα με εξαίρεση τα βαρύτερα στοιχεία των ομάδων 11 – 15 του περιοδικού πίνακα.

Από τις ενώσεις που σχηματίζει μπορούμε να ξεχωρίσουμε κάποιες χαρακτηριστικές ομάδες με βάση το είδος των δεσμών:

  • Τα βορίδια των μετάλλων, τα οποία μπορεί να κυμαίνονται από Μ5Β μέχρι ΜΒ66. Τα πλούσια σε μέταλλα βορίδια είναι εξαιρετικά σκληρά, χημικώς αδρανή, μη-πτητικά και πυρίμαχα υλικά. Έχουν σημείο τήξεως και ηλεκτρική αγωγιμότητα συχνά πολύ υψηλότερη από τα “πατρικά” μέταλλα. Έτσι, τα διβορίδια του Zr, Hf, Nb και Ta έχουν σημείο τήξεως πάνω από 3000°C ενώ το TiB2 (σ.τ. = 2980°C) έχει αγωγιμότητα πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ti.
  • Τα βοράνια ή υδρίδια του βορίου, μια σειρά πτητικών ενώσεων με το υδρογόνο, με γενικό τύπο BnHn+4 ή BnHn+8. Το διβοράνιο, Β2Η6, είναι το απλούστερο και παρασκευάζεται μέ την παρακάτω αντίδραση:
   6LiH + 8BF3 → 6LiBF4 + B2H6

Στην ένωση αυτή τα άτομα το βορίου και 4 από τα 6 υδρογόνα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Τα υπόλοιπα δύο υδρογόνα καταλαμβάνουν θέσεις με μορφή γέφυρας μεταξύ των δύο ατόμων του βορίου και ο δεσμός τους καθορίζεται σαν δεσμός τριών κέντρων με ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Οι δεσμοί του τύπου αυτού ονομάζονται και δεσμοί “ηλεκτρονιακού ελλείμματος”.

Αρχείο:Διβοράνιο-3D.jpg
Το μόριο του διβορανίου στο χώρο
  • Τα αλογονίδια του βορίου, από τα οποία τα τριαλογονίδια είναι τα πιο σταθερά και μπορούν να θεωρηθούν ως τα πρώτα μέλη της ομόλογης σειράς BnXn+2. Τα τριαλογονίδια είναι πτητικές και πολύ δραστικές ενώσεις από τα οποία τα BF3 και BCl3 είναι αέρια, το BBr3 είναι πτητικό υγρό και το BI3 είναι στερεό. Και οι 4 ενώσεις είναι επίπεδες με γωνίες 120° μεταξύ των δεσμών.
  • Τα οξείδια του βορίου και άλλες ενώσεις του με το οξυγόνο με το οποίο βρίσκεται συνήθως ενωμένο στη φύση. Σημαντικότερος εκπρόσωπος αυτής της ομάδας είναι το οξείδιο του βορίου, Β2Ο3, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή πυρίμαχων υάλινων αντικειμένων (Pyrex).
  • Οι ενώσεις Β–Ν οι οποίες έχουν ιδιαίτερη σημασία λόγω της ομοιότητάς τους με τις ενώσεις C-C. Τα τρία αυτά άτομα μοιάζουν τόσο από άποψη μεγέθους όσο και από άποψη ηλεκτραρνητικότητας με τον άνθρακα να βρίσκεται ανάμεσα στα άλλα δύο. Μία πολύ ενδιαφέρουσα ένωση είναι το νιτρίδιο του βορίου, ΒΝ, το οποίο σχηματίζεται σαν ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό από την αντίδραση του αζώτου με το βόριο με θέρμανση. Είναι ένα μεγαλομόριο με μια δομή τύπου γραφίτη όπου τα άτομα του βορίου και του αζώτου εναλλάσσονται στους δακτυλίους δίνοντας τη δομή:
Αρχείο:Νιτρίδιο του βορίου.jpg
Το Νιτρίδιο του βορίου

Ένα άλλο απλό δακτυλικό σύστημα του βορίου και του αζώτου είναι η βοραζόλη, Β3Ν3Η6, το ανόργανο βενζόλιο:

Μεσομερής μορφές της Βοραζόλης

Κρυσταλλική δομή

κρυσταλλική δομή του εικοσάεδρου είναι η πιο συνηθισμένη για το άτομο του βορίου

Η κρυσταλλική δομή του βορίου είναι από τις πιο περίπλοκες ανάμεσα στα χημικά στοιχεία. Αυτό οφείλεται στην ποικιλία των τρόπων με τους οποίους το άτομο προσπαθεί να λύσει το πρόβλημα του ηλεκτρονιακού ελλείμματος. Συνήθως, τα στοιχεία σε αυτή την κατάσταση ακολουθούν την δομή των μεταλλικών δεσμών κάτι όμως που δεν συμβαίνει με το βόριο το οποίο προτιμάει τους ομοιοπολικούς δεσμούς, λόγω του μικρού του μεγέθους και της υψηλής ενέργειας ιονισμού.

Η δομή που κυριαρχεί είναι αυτή του εικοσάεδρου Β12, η οποία επίσης παρατηρείται στις δομές πολλών μεταλλικών βοριδίων και βορανίων. Η δομή αυτή αφήνει μεγάλα κενά ανάμεσα στα άτομα, ικανά να φιλοξενήσουν επιπλέον άτομα βορίου ή μετάλλων. Ακόμα και στην πυκνότερη δομή, την α-ρομβοεδρική, το ποσοστό του χώρου που είναι κατειλημμένο είναι μόλις 37% (σε σχέση με το μέγιστο 74% για σφαίρες). Η α-ρομβοεδρική περιλαμβάνει κανονικά εικοσάεδρα Β12 τοποθετημένα σε μια ελαφρώς παραμορφωμένη κυβική δομή μέγιστης πυκνότητας. Η πιο θερμοδυναμικά σταθερή δομή είναι η β-ρομβοεδρική, αρκετά πιο περίπλοκη και αποτελούμενη από 105 άτομα βορίου. Τέλος, η πρώτη κρυσταλλική δομή που παρασκευάστηκε (1943) ονομάστηκε α-τετραγωνική βορίου και περιέχει 50 άτομα (4Β12 + 2Β). Στη συνέχεια (1974) όμως ανακαλύφθηκε ότι αυτή η μορφή εμφανίζεται μόνο παρουσία άνθρακα ή αζώτου ως πρόσμιξη, με αποτέλεσμα στην πραγματικότητα να είναι Β50C2 ή Β50Ν2.

Παραγωγή

Το βόριο δεν ανευρίσκεται ελεύθερο στη φύση. Έτσι, οι βασικές πηγές από τις οποίες μπορούμε να το παραλάβουμε είναι από ορυκτά που περιέχουν βόριο ενωμένο με άλλα χημικά στοιχεία, όπως ο βόρακας, ο κολεμανίτης, ο ουλεξίτης και ο κερνίτης. Οι πιο σημαντικές ποσότητες αυτών των βορικών ορυκτών βρίσκονται σε περιοχές με προηγούμενη ηφαιστειακή δραστηριότητα και φαίνεται ότι σχετίζονται με τα νερά πρώην θερμών πηγών. Το ορυκτό που κρυσταλλώνεται αρχικά σε αυτές τις περιοχές είναι ο ουλεξίτης, NaCa[B5O6(OH)6]·5H2O, συνήθως σε μείγμα με μικρότερες ποσότητες βόρακα, Na2[B4O5(OH)4]·8H2O. Με το πέρασμα του χρόνου, η έκθεση των ορυκτών στα καιρικά φαινόμενα έχει σαν αποτέλεσμα το ξέπλυμα από τα επιφανειακά νερά και την απομάκρυνση των πιο διαλυτών συστατικών, αφήνοντας ως υπόλειμμα ένα κοίτασμα του λιγότερο διαλυτού ορυκτού, του κολεμανίτη, Ca[B3O4(OH)3]·H2O. Ο βόρακας που απομακρύνθηκε πολλές φορές συσσωρεύεται και αφού υποστεί κάποιες αλλαγές δημιουργεί κοίτασμα ενός δευτερογενούς εμπορικά σημαντικού ορυκτού, του κερνίτη, Na2[B4O5(OH)4]·2H2O. Τα σημαντικότερα κοιτάσματα βορίου βρίσκονται στην Τουρκία και τις Η.Π.Α. όπως επίσης και στην Αργεντινή, Ρωσία, Κίνα, Χιλή και Περού.

Για την παραγωγή στοιχειακού βορίου χρησιμοποιούνται πολλές μέθοδοι που διαφέρουν ως προς το βαθμό καθαρότητας που επιτυγχάνουν:

  • Αναγωγή του οξειδίου του βορίου από μέταλλα (συνήθως μαγνήσιο) σε υψηλές θερμοκρασίες. Άλλα στοιχεία που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι το Li, Na, K, Be, Ca, Al, Fe. Το προϊόν είναι άμορφο και περιέχει μεταλλικά βορίδια ως προσμίξεις. Η καθαρότητα του κυμαίνεται από 95-98%.
  • Αναγωγή πτητικών ενώσεων του βορίου (BCl3, BBr3) με υδρογόνο. Η μέθοδος αυτή, που εφαρμόζεται από το 1922, θεωρείται σήμερα από τις αποτελεσματικότερες στην παραγωγή βορίου υψηλής καθαρότητας (>99,9%). Σε θερμοκρασίες κάτω από 1000°C παράγεται άμορφο βόριο ενώ από 1000-1200°C κρυσταλλικό με α- και β-ρομβοεδρική διάταξη. Πάνω από 1200°C παράγονται κρύσταλλοι με τετραγωνική διάταξη.
  • Με θερμική αποσύνθεση βορανίων ή αλογονιδίων του βορίου. Με τη μέθοδο αυτή παράγεται, από διβοράνιο, πολύ υψηλής καθαρότητας βόριο για χρήση στη βιομηχανία των ημιαγωγών.

Χρήσεις

Το άμορφο βόριο χρησιμοποιείται στην κατασκευή υλικών για πυροτεχνήματα εξαιτίας της χαρακτηριστικής πράσινης-γαλάζιας φλόγας που δίνει. Επίσης, οι ίνες βορίου είναι μεγάλης αντοχής και μικρού σχετικά βάρους και χρησιμοποιούνται ως συστατικό σύνθετων ελαφρών δομικών υλικών με εφαρμογή στην αεροναυπηγική.

Οι σημαντικότερες όμως χρήσεις του, αφορούν τις διάφορες ενώσεις του βορίου. Αυτές χρησιμοποιούνται για την κατασκευή: Πυρίμαχων γυαλιών (Pyrex), γυάλινων ινών, απορρυπαντικών, σαπουνιών, καλλυντικών, συνθετικών φυτοφαρμάκων, εντομοκτόνων και λιπασμάτων. Τέλος παλαιότερα παρασκευαζόταν από τον βόρακα το υπερβορικό νάτριο που χρησιμοποιούνταν ευρέως ως λευκαντικό στα απορρυπαντικά, ενώ το βορικό οξύ ως συντηρητικό τροφίμων και κυρίως στα ψάρια.

Ασφάλεια - Υγεία

Το χημικό στοιχείο βόριο είναι μη-τοξικό ενώ και οι πιο συνηθισμένες ενώσεις του έχουν χαμηλή τοξικότητα. Το ημερήσιο ανεκτό όριο πρόσληψης για το βόριο έχει οριστεί στα 0,4 mg/kg σωματικού βάρους ενώ υπολογίζεται ότι η μέση ημερήσια πρόσληψη βορίου κυμαίνεται από 1,5 – 1,9 mg την ημέρα πολύ χαμηλότερα από το παραπάνω όριο. Η κύρια πηγή πρόσληψης είναι μέσω της διατροφής (1,2 mg την ημέρα) και ιδιαίτερα από τα φρούτα, λαχανικά, όσπρια και καρύδια. Αντίθετα, τα γαλακτοκομικά, τα ψάρια, το κρέας και τα δημητριακά περιέχουν πολύ λίγο βόριο.

Για τα φυτά το βόριο είναι βασικό θρεπτικό συστατικό σε μικρές ποσότητες, με την βέλτιστη ποσότητα να διαφέρει σε κάθε φυτό. Παίζει σημαντικό ρόλο στα κύτταρα των φυτών και συγκεκριμένα στην κυτταρική διαίρεση, στο μεταβολισμό και στην κυτταρική μεμβράνη. Συνήθως υπάρχει μια στενή περιοχή βέλτιστης συγκέντρωσης βορίου στα φυτά. Κάτω από αυτήν παρουσιάζονται συμπτώματα έλλειψης του στοιχείου αυτού και πάνω από αυτή γίνεται τοξικό.

Τέλος, το όριο συγκέντρωσης του βορίου στα νερά, πάνω από το οποίο γίνεται επικίνδυνο, έχει οριστεί στο 1 mg/l νερού με τα επίπεδα στο περιβάλλον να είναι γενικά κάτω από αυτό το όριο. Χαρακτηριστική μέση τιμή για την Ευρώπη είναι τα 0,6 mg/l.

Βιβλιογραφία